اهمیت مدارهای آنالوگ در مقابل دیجیتال

چرا آنالوگ؟

مرگ مدار های آنالوگ را بسیاری از متخصصان در اوایل دهه ۱۹۸۰ پیش بینی کردند.الگوریتم های پردازش سیگنال های دیجیتال ٬ پیوسته قوی تر می شدند و این در حالی بود که فناوری مدارهای مجتمع (IC) ٬ پیاده سازی فشرده و کارای این الگوریتم ها را در سیلیکان ممکن می ساخت . بسیاری از اعمالی که به طور مرسوم به شکل آنالوگ تحقق می یافت ٬حالا داشت به آسانی در حوزه ی دیجیتال اجرا می شد و به نظر می رسید که با قابلیت کافی ساخت IC ٬ تمامی پردازش های سیگنال سرانجام دیجیتال خواهند شد.آینده سرد و تاریکی پیش روی طراحان آنالوگ بود باید به دنبال حرفه ای دیگر می گشتند. ولی چرا امروزه٬ طراحان آنالوگ مشتری های زیادی دارند؟آن هم بعد از اینکه پردازش سیگنال دیجیتال و فناوری های IC از دهه ۱۹۸۰ پیشرفت زیادی کرده اند و امکان تحقق پردازنده های شامل میلیون ها ترانزیستور و با قدرت اجرای تریلیون ها دستورالعمل در ثانیه میسر شده است٬چرا این پیشرفت با پیش بینی های اولیه جور در نیامد؟

اگرچه بسیاری از پردازش های سیگنال به گستره دیجیتال برده شد ولی مدار های آنالوگ به عنوان پایه ای برای بسیاری از سیستم های پیچیده و کارای امروزین ضروری هستند.

بیایید برای مثال کاربردهایی را در نظر بگیریم که در آن ها علیرغم پیشرفت های فناوری٬جایگزینی توابع آنالوگ با نظیر دیجیتال آنها بسیار مشکل و حتی غیر ممکن است.


پردازش علائم طبیعی

سیگنال هایی که به طور طبیعی ایجاد می شوند حداقل در مقیاس ماکروسکوپیک آنالوگ هستند.یک میکروفن با کیفیت بالا که صدای یک ارکستر را دریافت میکند ٬ ولتاژی تولید می کند که دامنه آن می تواند از چند میکروولت تا صدها میلی ولت تغییر کند.سلول نوری یک دوربین ویدیویی ٬جریانی ایجاد می کندکه به کوچکی چند الکترون بر میکرو ثانیه است.یک سنسور لرزه نگاری ولتاژ خروجی دارد که از چند میکروولت برای لرزش های خیلی کوچک زمین تا صد ها میلی ولت هنگام زمین لرزه سنگین تغییر می کند.

چون همه این سگنال ها باید سرانجام در حوزه دیجیتال مفصلا پردازش شوند٬می بینیم که هرکدام از این سیستم ها شامل یک مبدا آنالوگ به دیجیتال (ADC) و یک پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) هستند.[شکل ۱-۱(الف)] طراحی ADC برای سرعت بالا ٬ دقت بالا و تلفات توان پائین یکی از مشکلات اساسی در طراحی آنالوگ است.

در عمل ٬ ممکن است که مقدار آنالوگ سیگنال های طبیعی برای تبدیل به دیجیتال توسط (ADC) به طرز نامناسبی کوچک باشد. همچنین تداخل های ناخواسته و خارج از باند نیز می توانند همراه این سیگنال ها باشند. بنابراین مدار شکل ۱-۱(الف) را می توان به صورت ۱-۱(ب) اصلاح کرد که در آن یک تقویت کننده دامنه سیگنال را افزایش می دهد و یک فیلتر آنالوگ مولفه های خارج از باند را حذف می کند.طراحی تقویت کننده ها و فیلتر ها نیز امروزه یکی از موضوعات فعال پژوهشی است.

Analog1Analog2شکل۱-۱ (الف) دیجیتال کردن یک سیگنال طبیعی (ب) تقویت و پالایش برای حساسیت بالاتر


مخابرات دیجیتال

اطلاعات دو تایی که توسط سیستم های مختلف تولید می شود اغلب باید به فواصل طولانی ارسال شوند.برای مثال شبکه های کامپیوتری در یک ساختمان بزرگ اداری می توانند داده را از طریق کابل ارسال کنند ٬ که طول آن به صدها متر می رسد.
اگر یک رشته سریع داده از میان یک کابل عبور کند ٬ چه روی می دهد؟ همانطور که در شکل ۱-۲ رسم شده است ٬ سیگنال هم دچار تضعیف شده و هم دچار اعوجاج می شود و دیگر شبیه به یک شکل موج دیجیتال نخواهد بود. بنابراین یک گیرنده مانند شکل ۱-۱(ب) در اینجا لازم است.

Analog3شکل ۱-۲ تضعیف و اعوجاج داده بعد از عبور از میان یک کابل دارای تلفات

برای بهبود کیفیت مخابراتی ٬ سیستم بالا می تواند به جای سیگنال های دو تایی از سیگنال های ((چند حالته)) استفاده کند. برای مثال همانطور که در شکل ۱-۳ نشان داده شده ٬هر دو بیت متوالی در زنجیره داده با هم به صورت یک سطح از چهار سطح در نظر گرفته می شود.پس دوره تناوب هر یک از این سطوح دو برابر تناوب یک بیت است و از این رو پهنای باند لازم برای ارسال زنجیره ی دو تایی ٬ نصف می شود.
سیگنال های چند حالته(چند سطحی) که به طور گسترده ای در مخابرات امروز بکار می روند ایجاب می کنند که در فرستنده برای تبدیل سطوح چندگانه از داده های دوتایی گروه بندی شده٬یک مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) و در گیرنده نیز یک ADC برای تعیین اینکه کدام سطح ارسال شده است بکار رود. نکته اصلی در اینجاست که افزایش تعداد سطوح٬پهنای باند لازم را کاهش می دهد ولی به DAC و ADC های دقیق تری نیاز است.

Analog4شکل۱-۳ استفاده از سیگنال دهی چند سطحی برای کاهش پهنای باند لازم

مدارهای دیسک خوان : داده های ذخیره شده به طور مغناطیسی در یک دیسک سخت کامپیوتر به شکل دو تایی هستند.ولی هنگامی که این داده ها با یک هد مغناطیسی خوانده می شوند و به سیگنال الکتریکی تبدیل می شوند٬ نتیجه ای مانند آنچه در شکل ۱-۴ نشان داده شده ٬ بدست می آید.دامنه فقط در حدود چند میلی ولت است و محتوی نویز آن کاملا زیاد است و بیت ها دچار اعوجاج قابل ملاحظه ای شده اند.
بنابراین مانند شکل ۱-۱ سیگنال تقویت می شود ٬ فیلتر شده و برای پردازش بیشتر به دیجیتال تبدیل می شود. بسته به معماری کل سیستم ٬ فیلتر آنالوگ در این حالت می تواند برای حذف بخش قابل ملاحظه ای از نویز و اعوجاج سیگنال بکار گرفته شود. طراحی هرکدام از این بلوک های سازنده با افزایش سرعت کامپیوترها و گنجایش ذخیره سازی آن ها سال به سال مشکل تر می شود.برای مثال دیسک خوان های امروزین به سرعت Mb/s 500 نیاز دارند.

Analog5شکل ۱-۴ داده های ذخیره شده و بازیابی شده از یک دیسک سخت


گیرنده های بی سیم

سیگنال دریافت شده از آنتن یک گیرنده فرکانس رادیویی (RF) مثل یک فراخوان یا یک تلفن سلولی ٬ فقط دامنه ای در حدود چند میکرو ولت دارد و فرکانس مرکزی آن ۱ GHz یا بیشتر است علاوه بر آن ٬سیگنال با تداخل کننده های بزرگی نیز همراه است(شکل ۱-۵).

Analog6شکل۱-۵ سیگنال و تداخل دریافت شده توسط آنتن یک گیرنده ی بی سیم

بنابراین گیرنده باید سیگنال کوچک را با کمترین نویز تقویت کند ٬در فرکانس بالا کار کند و مولفه های فرکانسی بزرگ و ناخواسته را تحمل کند.توجه کنید که این ملزومات حتی اگر سیگنال مطلوب به شکل ((آنالوگ)) نیز نباشد ٬باید برقرار شود. تقابل بین نویز ٬فرکانس کار٬تحمل تداخل کننده ها٬تلفات توان و قیمت امروزه هنوز هم مشکل اصلی صنعت مخابرات بی سیم است.
گیرنده های نوری: برای انتقال پرسرعت داده به فواصل طولانی ٬ کابل کارایی لازم را ندارد زیرا پهنای آن محدود است و تضعیف قابل ملاحظه ای دارد. بنابراین همانطور که در شکل ۱-۶ ٬ نشان داده شده است ٬ داده ها به وسیله یک دیود لیزری به نور تبدیل می شوند و از طریق یک فیبر نوری که پهنای باند بسیار زیاد و تلفات بسیار کمی دارد٬ ارسال می شوند. در طرف گیرنده نور به وسیله ی یک دیود نوری به جریان الکتریکی کوچکی تبدیل می شود. بنابراین گیرنده باید بعد از آن یک سیگنال کوچک را با سرعت بسیار بالا پردازش کند.از این رو به طراحی یک مدار کم نویز و باند وسیع نیاز می شود. برای مثال ٬ گیرنده های نوری جدید در حوزه ۱۰ تا Gb/s 40 کار می کنند.

Analog7شکل ۱-۶ سیستم فیبر نوری


حسگر ها

حسگر های مکانیکی ٬ الکتریکی و نوری نقش حیاتی در زندگی ما دارند.برای مثال دوربین های ویدئویی یک آرایه از دیودهای نوری در خود دارند که تصویر را به جریان تبدیل می کند و سیستم های فراصوتی از حسگرهای آکوستیکی برای تبدیل دامنه یک موج فراصوتی به ولتاژی متناسب با آن استفاده می کنند.تقویت٬ پالایش و تبدیل A/D ٬ عملیات اساسی در این کاربرد ها هستند هستند. یک مثال جالب از حسگرها٬ شتاب سنج هایی هستند که برای فعال کردن کیسه های هوا در اتومبیل ها بکار می روند. وقتی که ماشین به یک مانع برخورد می کند٬ افت سرعت به شکل یک شتاب اندازه گیری شده و اگر از یک آستانه فراتر رود٬ با ساز و کار مناسب کیسه ی هوا را فعال می کند.شتاب سنج های جدید بر اساس خازن متغییر کار می کنند که شامل یک صفحه ثابت و یک صفحه قابل انحراف است.[ شکل ۱-۷ (الف)]میزان انحراف و در نتیجه مقدار خازن متناسب با شتاب است ٬ پس لازم است که تغییر خازن را به دقت اندازه بگیرد. طراحی چنین مدار واسطه ای بسیار مشکل است زیرا خازن بین صفحه ای ممکن است کمتر از ۱% تغییر کند بنابراین دقت بالایی در اندازه گیری نیاز است.
در عمل ساختار شکل ۱-۷(ب) بکار می رود که در آن از دو خازن که در جهت مخالف هم تغییر می کنند استفاده شده است و کافی است که فقط اختلاف بین دو خازن اندازه گرفته شود نه مقدار مطلق یکی از آن ها.

Analog8

Analog9شکل ۱-۷ (الف)شتاب سنج ساده (ب) شتاب سنج دیفرانسیلی


ریزپردازنده ها و حافظه ها

امروزه ریزپردازنده ها و حافظه ها بر پایه تجربه فراوان طراحی آنالوگ قرار دارند. بسیاری از مسائل مربوط به توزیع و زمان بندی داده ها و پالس ساعت روی یک تراشه ی بزرگ یا بین تراشه ها ٬ ایجاب می کند که سیگنال های پرسرعت را به صورت شکل موج های آنالوگ بنگریم.
علاوه بر آن ٬عوامل غیر ایده آل در اتصالات سیگنال و تغذیه در روی تراشه مثل خازن های مزاحم نیاز به فهم دقیق طراحی آنالوگ دارند.
افزون بر آن ٬حافظه های نیمه رسانا بطور گسترده ای از ((تقویت کننده های سنجش)) سرعت بالا استفاده می کنند٬ که نیاز به بسیاری از فنون آنالوگ دارند.به همین دلایل ٬اغلب گفته می شود که ((طراحی دیجیتال سرعت بالا در حقیقت همان طراحی آنالوگ است.)) کاربرد های مذکور ٬گسترش وسیع و اجتناب ناپذیر مدارهای آنالوگ را در صنعت جدید نشان می دهند.ولی چرا طراحی آنالوگ دشوار است؟ به دلایل زیر:
(۱) در مدارهای دیجیتال تنها باید به موازنه بین سرعت و تلفات توان پرداخت در حالیکه طراحی آنالوگ نیاز به موازنه چند بعدی بین سرعت٬ تلفات توان٬ بهره ٬ دقت ٬ ولتاژ تغذیه و غیره دارد.
(۲) با سرعت و دقت لازم برای پردازش سیگنال های آنالوگ ٬مدارهای آنالوگ نسبت به مدارهای دیجیتال ٬ حساسیت بیش تری به نویز٬هم شنوایی و سایر تداخل کننده ها دارند.
(۳) اثرات مرتبه دوم در افزاره ها بر کارایی مدارهای آنالوگ تاثیر بسیار بیش تری می گذارد تا بر مدارهای دیجیتال.
(۴) طراحی مدارهای کارای آنالوگ ٬ را نمی توان بطور اتوماتیک انجام داد که معمولا لازم است که هر افزاره به طور دستی طراحی و ترسیم شود در حالیکه بسیاری از مدارات دیجیتال را می توان به طور خودکار طراحی کرده و ترسیم کرد.
(۵) علیرغم پیشرفت های چشمگیر ٬ مدل سازی و شبیه سازی بسیاری از اثرات در مدارهای آنالوگ٬ هنوز هم مشکل آفرین هستند و طراحان را وادار می کنند تا از شهود و تجربه در هنگام تحلیل نتایج یک شبیه سازی استفاده کنند.
(۶) حقیقت مهم در صنعت نیمه رسانای امروزی این است که طراحی مدارهای آنالوگ هم با استفاده از فناوری های IC که برای ساخت محصولات دیجیتال بکار می روند ٬ صورت می گیرد. این فناوری ها که برای کاربردهای دیجیتال توسعه یافته و مشخصه یابی شده اند به آسانی قابل بکارگیری در ساخت طرح های آنالوگ نیستند و برای دستیابی به کارایی بالا نیاز به مدارها و معماری های جدید است.


منبع: کتاب طراحی مدارهای مجتمع CMOS آنالوگ دکتر بهزاد رضوی

6+

کاربرانی که این مطلب را پسندیده اند:

این مطلب را از دست ندهید :  بخش نهم آموزش ARM : راه اندازی واحدهای جانبی LPC2138
  • avatar
این مطلب را با دوستانتان به اشتراگ بگذارید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

ده + 11 =